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电动船舶的航行支持系统
摘要
东京海洋科技大学制造了一种名叫RACHO-I的快速充电即插式电动船舶。RACHIO-I是第一艘采用CHAdeMO标准的电动船舶。CHAdeMO是日本的快速充电标准。然而，航行支持系统(NSS)从操作安全的角度来看是电动船舶的重要技术之一，它给剩余的操作时间一个可能的巡航距离等等。在这篇文章中,提出了一种航行支持系统的用于估计电荷的状态，剩余的运行时间等的算法。还提出了通过获得建议的速度，以巡航所需距离的算法。
简介
在东京湾地区，船舶排放所占废气排放比例很高。然而,环境改善技术在海洋运输领域的采用相对于陆地运输和汽车较晚。为了防止传统船舶造成的空气和水污染，就需要像电动船舶的零排放船。
东京海洋科技大学在2010年制造了快速充电即插式电动船舶RACHO-I。RACHIO-I是第一艘采用CHAdeMO标准的电动船舶。CHAdeMO是日本关于电动交通工具快速充电标准。RACHO-I在全速运行(约10节)下的最大航行时间约为45分钟。由于电池装载量受限于成本、重量等等，电动船舶的运行时间、速度和距离与传统的船相比受到限制。因此一个航行支持系统(NSS)需要从操作安全的角度来提供剩余的运行时间，可能的巡航距离等。
为了给电动船舶的驾驶员开发一个NSS，需要一种根据输出估计电池剩余的电荷状态(SOC)，剩余运行时间等等的算法。因此，在本文中推导出用于估计剩余的电荷状态，运行时间的算法。用来获得巡航预期的距离的推荐速度也被推导出。
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船长 |
10.0m |
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船宽 |
2.3m |
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型深 |
1.2m |
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电机功率 |
25KW |
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速度（半额定负载功率） |
10knots |
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速度（全负荷） |
8.5knots |
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电池容量 |
18KWh |
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电池电压 |
DC 395 V |
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载客量 |
10 |
表I. RAICHO-I的主要特性
图1 快速充电插电式电动船“RAICHO-I”
II. 快速充电插电式电动船“RAICHO-I”
快速充电的插电式电动船的RAICHO-I如图1所示。主要特性见表1 。安装在“RAICHO-I”上的是重量约为400 kg的18 KWh锂离子电池。在30分钟内，快速充电器可以将电池全部电量的80%充满。当快速充电器用于充电时，电池的全部电量的80%是最大容量。由于“RAICHO-I”的电机功率为25 kW，因此RAICHO-I在循环运行中充电时可以全速运行35 min并保持30 min的停机时间。 充满电的电池的操作时间约为45min。 “RAICHO-I”的最大速度在半载时约为10 节，全负载时为8.5 节。 满载意味着船上有2名船员和10名乘客。 速度10 节意味着“RAICHO-I”不仅可以在平静的水域中航行，而且还可以在开放海洋环境中航行。 电机和电池系统可以由主控制器通过控制器区域控制网络（CAN）控制。
III. 航行支持系统的发展
A.航行支持系统的概念
由于电动船舶装载的电池通常受限于成本、重量等等，电动船的运行时间、速度和距离也受到限制。尽管“RAICHO-I”安装了400 kg的锂离子电池，“RAICHO-I”的运行时间全速满载下仅为45 min。和采用内燃发动机作为推进系统的传统船舶相比这是相当短的时间。电动船舶的驾驶员必须知道剩余的电池容量，计算到需求地点的剩余距离随时决定船的速度。从操作安全这个角度来看这种操作情况应该消除。
因此，需要能够提供剩余操作时间，可能的巡航距离等的航行支持系统。 这些关于电动船的信息将不仅取决于风，波浪等环境条件而且还取决于电池的物理特性。 为了获得这些信息，对环境条件和物理性质的估计是重要的。 在本节中，导出了用于获得这些信息的估计算法。
B.电池系统的特性
为了导出估计算法，检查“RAICHO-1”的性质。 电池管理系统通过CAN可以获得锂离子电池的输出电压，输出功率和剩余的电荷状态。 但是，没有关于电荷状态的时间变化与输出功率之间的关系的信息。 输出功率与“RAICHO-I”的速度之间的关系也是必需的。 在推导估计算法之前调查这些关系。
在我校的品川校区前的运河上检查输出功率与速度的关系。 测试在半负载和满负载下5种输出功率（5,10,15,20和25 kW）。 船的速度通过装备在船上的GPS测量。 为了减少干扰的影响，执行往返测试。 这些测试的总结如图2所示。点显示测量结果。 绿色和蓝色分别在半负载和满负载下平均测试。 虚线显示由以下等式表示的近似曲线。
(1)
其中P是输出功率kW，v是通过GPS 节点获得的“RAICHO-I”的速度。 alpha;和beta;是根据电动船的负载选择的常数。 如果船以半载航行，则alpha;为3.4518，beta;为0.2942。 另一方面，如果船满负荷航行，则alpha;为3.4518，beta;为0.2942。 请注意，（1）可适用于5 kW以上的输出功率。 5 kW是“RAICHO-I”的最小可导航输出功率。
与输出功率有关的电荷状态的时间变化如图3所示。由于计算电荷状态的算法并未从电池供应商处打开，因此需要进行该测试。红线显示取决于输出功率的测量结果。 黑线代表电荷状态随时间线性下降的假设的理论曲线。 它表明，电荷状态可以近似为线性函数。 曲线的斜率取决于输出功率并线性变化。 因此，SOC的时间变化取决于输出功率可以通过以下等式估算。
(2)
其中和是所估计的和初始SOC [％]，P是输出功率[kW]，t是时间[sec]。
Figure 4. Prototype of information display
C.航行支持系统
航行支持系统的信息显示原型如图4所示。该显示具有以下功能。
・如果给出输出功率，则显示运行时间和最大速度。 通航距离也可以通过乘以获得的时间和速度来获得。
（3）
其中D是距离km
・ 如果给出了所需的距离，则显示可行的最大输出功率和到达时的估计时间。
(4)
(5)
・如果所需距离不是可航行距离，则显示所需的SOC。
(6)
IV.结论
2010年由东京海洋科技大学创建了快速充电插电式电动船“RAICHO-I”。全速服务（约10节）中“RAICHO-I”的最大航行时间约为45 min。 由于电池装载量受限于成本、重量等等，电动船舶的运行时间、速度和距离与传统的船相比受到限制。 航行支持系统（NSS）需要从运行安全的角度提供剩余的运行时间，可能的巡航距离等。
在本文中，估算算法可获得剩余的SOC，得出操作时间。 还推导出获得推荐速度以巡航所需距离的算法。
参考文献
[1] FY2007 Report on survey of technologies for reducing marine air
pollutants, Japan Institute of Marine Engineering, 2007 (in Japanese).
[2] T. Takamasa, T. Oode, H. Kifune, E. Shimizu and T. Hazuku, “Quick
charging plug-in electric boat “RAICHO-I””, Proc. of IEEE Electric
Ship Technology Symposium (IEEE ESTS 2011), April 2011.
[3] http://www.chademo.com/
用于推进旅游船的PEM燃料电池混合动力系统的开发和演示
摘要
在本文中，我们介绍了用于推进20米长旅游船的聚合物电解质膜（PEM）燃料电池混合动力系统的开发和演示。 PEM燃料电池混合动力系统是通过将PEM燃料电池与锂离子电池相结合，为在沿海水域运行的船只的喷水推进系统和辅助设备提供电力而开发的。 PEM燃料电池和锂离子电池分别产生50kW的电力和储存47kWh的能量。所有的系统组件，包括PEM燃料电池模块，储氢罐，直直流转换器，锂离子电池组和电池充电器都是新开发的，并且在船上安装时进行了预先测试，并且该船使用铝合金建造来将开发的PEM燃料电池混合动力系统安排在其内部。韩国第一艘由燃料电池驱动的船在韩国釜山沿海水域成功展示。该演示展示了燃料电池混合动力系统的可靠运行，并且功率输出为85 kW时船速6.6-7.8节。
简介
聚合物电解质膜（PEM）燃料电池具有很多优点，包括低污染，高效率，低噪音和快速启动。 这些优势促进了PEM燃料电池系统在各种运载工具中的应用，包括轿车，公共汽车，高尔夫球车，叉车，小型摩托车和小船[1-9]。 PEM燃料电池在船只中的应用是一个有趣的挑战，过去十年一直在研究中。 作为替代能源，与传统内燃机相比，PEM燃料电池可显着减少污染和温室气体排放，提供安静环境，并提高燃油效率。 已经证实了PEM燃料电池在船舶中的几种应用[9-20]。然而，在公开文献中很少提供有关PEM燃料电池的开发和演示的详细信息。
第一个用于推进游艇的PEM燃料电池系统由MTU Friedrichshafen GmbH（德国弗里的希哈芬股份有限公司）于2003年开发[9,10]。包括由Ballard Power Systems（巴拉德动力系统）制造的四个1.2kW PEM燃料电池模块，它被安装在12米长的游艇中。采用9个铅 - 胶体电池的燃料电池系统可产生高达20 kW的总功率输出。这艘由燃料电池驱动的游艇在8节（约14.8公里/小时）的速度下最大航程为225公里，在三个高压氢气罐中储存6公斤氢气。 2007年，伯明翰大学的氢气材料组用PEM燃料电池混合动力推进系统[11]取代了安装在运河船上的柴油发动机。一个5千瓦的PEM燃料电池系统和一个铅酸电池为直流电动机提供动力，使用存储在五缸Ti-V-Mn- Fe金属氢化物存储系统中的氢气推动内河水道的船舶。 2012年，土耳其伊斯坦布尔技术大学推出了由加拿大Hydrogenics供应的8千瓦燃料电池模块供电的小型燃料电池船[12,13]。燃料电池驱动的船可在5公斤氢气下运行10小时，最高速度为7节（约13公里/小时）。
通过Zemship（零排放船）项目[9,14-17]，一艘燃料电池船FCS Alsterwasser于2008年在汉堡的内河航道开发并部署。该船旨在以14公里/小时的速度运送多达100名乘客，而不会产生任何有害污染物。该船的燃料电池推进系统在设计上类似于212型或214型潜艇[9,17,18]：PEM燃料电池系统被用作铅酸蓄电池充电的电源或直接向推进电机输送电力[19]。 Proton Motor Fuel Cell GmbH（宝腾汽车燃料电池有限公司）开发了能够产生48 kW峰值功率的PEM燃料电池系统。最初，这艘燃料电池船配备了两个PEM燃料电池系统和一个234千瓦时铅酸电池组，为主电力和船首推进器提供动力电机。然而，目前仅有一个PEM燃料电池系统正在运行，因为低于50kW的功率足以维持燃料电池船所需的速度。安装加拿大Luxfer制造的12个氢气罐，以便在350巴的压力下在船上储存高达50千克的氢气，允许在约三天内不加油。
一艘名为Nemo H 2的燃料电池船，在阿姆斯特丹运河开发，于2009年启动[9,16,20]。 它有一个60千瓦的PEM燃料电池系统和一个70千瓦时的铅酸电池组，以16公里/小时的最高速度推进。位于荷兰的PEM燃料电池堆制造商NedStack（内德斯塔克）提供了两个30千瓦的PEM燃料电池模块，包括该船的燃料电池推进系统。 安装了六个氢气罐，可以在350帕的压力下在船上储存多达24千克的氢气，允许在不加油的情况下运行约9小时。
在本文中，我们介绍了用于推进20米长旅游船的PEM燃料电池混合动力系统的开发和演示。 该联盟的十名成员合作开发了PEM燃料
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